Kako oblikovati stabilizirano napajalno vezje

V tem prispevku razpravljamo o tem, kako lahko vsak elektronski ljubitelj za učinkovito preizkušanje vseh vrst elektronskih projektov in prototipov oblikuje učinkovito in učinkovito, a zelo poceni in stabilizirano napajalno enoto.

Glavne značilnosti, ki jih mora imeti napajalnik, so:

• Moral bi biti zgrajen iz poceni in lahko dostopnih komponent
• Moral bi biti prilagodljiv s svojimi napetostnimi in tokovnimi območji ali preprosto vključevati možnost spremenljive napetosti in spremenljivih tokovnih izhodov.
• Moral bi biti zaščiten pred prevelikim tokom in pred preobremenitvijo.
• Mogoče ga je enostavno popraviti, če pride do težave.
• Moral bi biti dokaj učinkovit s svojo izhodno močjo.
• Olajšati enostavno prilagajanje v skladu z želeno specifikacijo.

Splošen opis

Večina zasnov napajalnikov doslej vključuje linearni serijski stabilizator. Ta zasnova uporablja prehodni tranzistor, ki deluje kot spremenljiv upor, ki ga uravnava Zenerjeva dioda.

Serijski sistem napajanja je bolj priljubljen, verjetno zaradi dejstva, da je veliko bolj učinkovit. Razen nekaterih manjših izgub v Zenerjevem in napajalnem uporu se opazna izguba zgodi le pri serijskem prehodnem tranzistorju v obdobju, ko tovor napaja s tokom.

Vendar je ena pomanjkljivost serijskega napajalnega sistema ta, da ne zagotavlja nobenega kratkega stika izhodne obremenitve. To pomeni, da lahko v pogojih izhodne napake prehodni tranzistor dopusti, da skozi njega teče velik tok, ki sčasoma uniči samega sebe in morda tudi povezano obremenitev.

To je dejal, dodal a zaščita pred kratkim stikom na serijsko prehodno napajanje je mogoče hitro implementirati z drugimi tranzistorji, konfiguriranimi kot trenutna stopnja krmilnika.

The krmilnik spremenljive napetosti dosežemo s preprostim tranzistorjem, potenciometrom povratne informacije.

Zgornja dva dodatka omogočata serijsko napajanje z zelo raznolikim, robustnim, poceni, univerzalnim in praktično neuničljivim napajalnikom.

V naslednjih odstavkih bomo na kratko spoznali načrtovanje različnih stopenj, vključenih v standardno stabilizirano napajalno enoto.

Najlažji tranzistorski regulator napetosti

Hiter način za nastavitev izhodne napetosti je pritrditev dna prehoda tranzistor s potenciometrom in Zenerjevo diodo kot je prikazano na spodnji sliki.

V tem vezju je T1 nameščen kot oddajalec-privrženec BJT , kjer njegova osnovna napetost VB določa njegovo napetost na oddajniku VE. Tako VE kot VB se bosta natančno ujemala in bosta skoraj enaki, tako da se bo odbil njen padec naprej.

Napetost padajočega napetosti katerega koli BJT je običajno 0,7 V, kar pomeni, da bo stranska napetost oddajnika:

VE = VB - 0,7

Uporaba povratne zanke

Čeprav zgoraj dizajn je enostaven za gradnjo in zelo poceni ta pristop ne ponuja velike regulacije moči pri nižjih napetostnih nivojih.

Ravno zaradi tega se običajno uporablja krmiljenje s povratnimi informacijami za izboljšanje regulacije v celotnem napetostnem območju, kot je prikazano na spodnji sliki.

V tej konfiguraciji osnovno napetost T1 in s tem izhodno napetost nadzoruje padec napetosti na R1, predvsem zaradi toka, ki ga vleče T2.

Ko je drsna roka lonca VR1 na skrajnem koncu tal, postane T2 odrezan, saj zdaj njegova osnova postane ozemljena, kar omogoča edini padec napetosti na R1, ki ga povzroči osnovni tok T1. V tem primeru bo izhodna napetost na oddajniku T1 skoraj enaka napetosti kolektorja in jo lahko dobimo kot:

VE = Vin - 0,7 , tu je VE napetost na strani oddajnika T1, 0,7 pa standardna vrednost padca napetosti naprej za vodnike BJT T1 na osnovi / oddajnika.

Torej, če je vhodno napajanje 15 V, lahko pričakujemo, da bo izhod:

VE = 15 - 0,7 = 14,3 V

Ko se drsnik roke VR1 potisne na zgornji pozitivni konec, bo T2 dostopil do celotne napetosti T1 oddajnika, zaradi česar bo T2 zelo težko vodil. To dejanje bo neposredno povezalo zener dioda D1 z R1. Pomen, zdaj bo osnovna napetost VB T1 preprosto enaka cenerjevi napetosti Vz. Torej bo rezultat:

VE = Vz - 0,7

Če je vrednost D1 6 V, lahko pričakujemo, da bo izhodna napetost le:

VE = 6 - 0,7 = 5,3 V , tako da cenerjeva napetost določa najnižjo možno izhodno napetost, ki bi jo s tem lahko dobili serijsko prehodno napajanje ko se lonec zavrti na najnižji stopnji.

Čeprav je zgoraj navedeno enostavno in učinkovito za izdelavo napajalnega sistema, ima veliko pomanjkljivost, ker ni odporen na kratke stike. To pomeni, da se T1 hitro segreje in izgori, če je na izhodnih sponkah vezja po naključju prišlo do kratkega stika ali če pride do preobremenitvenega toka.

Da bi se temu izognili, bi lahko zasnovo preprosto nadgradili z dodajanjem trenutna nadzorna funkcija kot je razloženo v naslednjem poglavju.

Dodajanje zaščite pred preobremenitvijo kratkega stika

Preprosta vključitev T3 in R2 omogoča, da je zasnova napajalnega kroga klopi 100% odporna na kratke stike in tok nadzorovan . S to zasnovo tudi namerno kratkostiranje na izhodu ne bo škodilo T1.

Delovanje te faze bi lahko razumeli takole:

Takoj, ko izhodni tok ponavadi preseže nastavljeno varno vrednost, se razvije sorazmerna količina potencialne razlike v R2, ki zadošča za trdi vklop tranzistorja T3.

Ko je T3 vklopljen, povzroči, da se osnova T1 poveže z oddajnikom, kar takoj onemogoči prevodnost T1, in to stanje se ohrani, dokler ni izhodna kratka ali preobremenitev odstranjena. Na ta način je T1 zaščiten pred kakršnimi koli neželenimi izhodnimi razmerami.

Dodajanje spremenljivke trenutne funkcije

V zgornji zasnovi je lahko trenutni senzorski upor R2 fiksna vrednost, če mora biti izhod konstanten tokovni izhod. Dober napajalni stolp pa naj bi imel spremenljiv obseg tako napetosti kot toka. Glede na to povpraševanje bi lahko omejevalnik toka prilagodili preprosto z dodajanjem spremenljivi upor z osnovo T3, kot je prikazano spodaj:

VR2 deli padec napetosti na R2 in tako omogoča, da se T3 vklopi pri določenem želenem izhodnem toku.

Izračun delnih vrednosti

Začnimo z upori, R1 lahko izračunamo po naslednji formuli:

R1 = (Vin - MaxVE) hFE / izhodni tok

Tukaj, saj MaxVE = Vino - 0,7

Zato poenostavimo prvo enačbo kot R1 = 0,7hFE / izhodni tok

VR1 je lahko 10 k lonec za napetosti do 60 V

Omejevalnik toka R2 lahko izračunamo, kot je navedeno spodaj:

R2 = 0,7 / največji izhodni tok

Največji izhodni tok naj bo izbran petkrat nižji od največjega T1 Id, če T1 zahteva delovanje brez hladilnika. Z velikim hladilnikom, nameščenim na T1, je lahko izhodni tok 3/4 od T1 Id.

VR2 je lahko preprosto 1k pot ali prednastavitev.

T1 je treba izbrati glede na zahteve izhodnega toka. T1 Id mora biti petkrat večji od zahtevanega izhodnega toka, če ga želite uporabljati brez hladilnika. Z nameščenim velikim hladilnikom mora biti vrednost T1 Id najmanj 1,33-krat večja od zahtevanega izhodnega toka.

Največji kolektor / oddajnik ali VCE za T1 bi moral biti v idealnem primeru dvakrat večji od vrednosti specifikacije največje izhodne napetosti.

Vrednost cenerjeve diode D1 lahko izberete glede na najnižjo ali najnižjo izhodno napetost iz napajalnega sistema.

Ocena T2 je odvisna od vrednosti R1. Ker bo napetost na R1 vedno 0,7 V, VCE T2 postane nepomemben in je lahko katera koli najmanjša vrednost. Id T2 mora biti tak, da lahko obvladuje osnovni tok T1, kot ga določa vrednost R1

Ista pravila veljajo tudi za T3.

Na splošno sta T2 in T3 lahko kateri koli tranzistor majhnega signala za splošno uporabo, kot je BC547 ali morda a 2N2222 .

Praktično oblikovanje

Ko smo razumeli vse parametre za oblikovanje prilagojenega napajanja s klopi, je čas, da podatke uporabimo v praktičnem prototipu, kot je prikazano spodaj:

V zasnovi boste morda našli nekaj dodatnih komponent, ki so namenjene zgolj izboljšanju regulacijske sposobnosti vezja.

C2 je uveden za čiščenje morebitnih preostalih valov na podlagah T1, T2.

T2 skupaj s T1 tvori a Darlingtonski par za povečanje trenutnega dobička na izhodu.

R3 je dodan za izboljšanje prevodnosti cenerjeve diode in s tem za zagotovitev boljše splošne regulacije.

R8 in R9 sta dodana, da se omogoči regulacija izhodne napetosti v fiksnem območju, ki ni kritično.

R7 nastavi največji tok, ki je dostopen na izhodu, in sicer:

I = 0,7 / 0,47 = 1,5 ampera in to se zdi precej nizko v primerjavi z oceno Tranzistor 2N3055 . Čeprav bi to lahko tranzistor ohranilo na hladnem, bi lahko to vrednost povečali do 8 amperov, če je 2N3055 nameščen nad velikim hladilnikom.

Zmanjševanje disipacije za povečanje učinkovitosti

Največja pomanjkljivost katerega koli serijskega tranzistorskega linearnega regulatorja je velika razpršenost tranzistorja. In to se zgodi, ko je vhodno / izhodna razlika velika.

To pomeni, da mora tranzistor, ko je napetost nastavljena na nižjo izhodno napetost, trdo delati, da nadzoruje presežno napetost, ki se nato sprosti kot toplota iz tranzistorja.

Na primer, če je obremenitev 3,3 V LED in je vhodna napetost napajalne enote 15 V, je treba izhodno napetost znižati na 3,3 V, kar je 15 - 3,3 = 11,7 V manj. In to razliko tranzistor pretvori v toploto, kar bi lahko pomenilo izgubo učinkovitosti več kot 70%.

Vendar je to težavo mogoče preprosto rešiti z uporabo transformator z navitjem izhodne napetosti

Na primer, transformator ima lahko pipe 5 V, 7,5 V, 10 V, 12 V itd.

Odvisno od obremenitve lahko izberete pipe za dovajanje vezje regulatorja . Po tem lahko lonec za nastavitev napetosti vezja uporabite za nadaljnjo natančno nastavitev izhodne ravni na želeno vrednost.

Ta tehnika bi povečala učinkovitost na zelo visoko raven, kar bi omogočilo, da je hladilnik do tranzistorja manjši in kompaktnejši.